近距离煤层上组煤底板应力分布特征研究

陈飞

【摘 要】 文章针对近距离煤层上组煤回采工作面布置困难的问题，以山西某矿近距离煤层为背景，对上组煤开采后底板的应力分布特征进行了研究。采用理论计算对9号煤层工作面开采后底板的分区情况进行了初步分析，并通过数值模拟方法最终确定工作面的回采在煤壁前后的影响范围。煤壁前方0～2.5m为应力升高区，2.5～15m为应力降低区，15m～30m为应力稳定区，采空区内底板岩层垂直应力均小于原岩应力，为应力释放区。

【关键词】 近距离煤层;底板应力;应力集中;工作面布置

【中图分类号】 TD322+.1 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0004-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

在我国很多矿区都有近距离煤层的存在，例如大同矿区、神东矿区等。由于间距较小，煤层之间的开采对彼此均有着较大的影响。开采近距离煤层时，首先对位于上部的煤层进行开采，因此煤层开采时顶板多發生垮落，而底板相对稳定。但现场大量实践结果显示，在上层煤层开采后，下层煤巷道围岩仍处于较高的应力环境中，巷道稳定性差，围岩变形严重。由于在上组煤开采结束后多残余一些煤柱，煤柱周围往往存在着应力集中情况，导致位于下方的煤层承受的应力增大，因此对上层煤开采后顶板的应力分布特征进行研究，有利于下层煤工作面合理位置的选取。

本文以山西某矿近距离煤层为工程背景，对近距离上层煤底板岩层应力分布特征进行了分析，从而为后续下层煤的工作面布局提供一定的理论基础。

1 矿井概况

山西某矿开采煤层为9号、10号煤层。9号煤层位于10号煤层上方，两层煤的厚度分别为1.12m和4.23m。煤层的倾斜角度均比较小，9号煤平均为2°，10号煤平均为3°，煤层之间的距离最小为4.35m，最大为6.21m，平均为5.32m。上、下煤层顶底板岩层情况如图1所示。9号煤层与10号煤层属于近距离煤层，9号煤层开采后导致围岩应力情况发生改变，并且对底板产生一定的破坏，分析煤层开采后在底板的应力分析情况，避开高应力区域，有利于保证下层煤安全、稳定的回采。

2煤层底板应力分布理论分析

工作面煤层开采后导致周围岩体的应力环境发生巨大的变化，一般情况下，工作面煤壁前方底板深部位置受到工作面回采的影响较小，而随着工作面推进距离的不断增大，底板的应力分布特征取决于顶板载荷通过煤体传递的作用情况，根据工作面超前支承压力的作用原理，底板的应力分析如图2所示。

假设工作面煤壁位置为B点，A点为煤壁内应力大小等于原岩应力的位置，在AB区域内煤体承受的峰值应力点为O点，大小为KγH。将峰值点设为原点，原点两侧煤体载荷均按照线性载荷进行分析，在距离原点η处，其承受的集中应力大小为：

式中，a为原岩应力点与应力峰值点距离，m;b为应力峰值点与煤壁的距离，m;K为煤体内应力集中系数;γ为顶板岩层容重，kN/m3;H为煤层埋深，m。

M点为底板岩层内任意一点，η处对M点的应力作用为：

对其求积分，可得M点底板承受的水平应力与垂直应力分别为：

由于9号煤层厚度平均为1.12m，属于薄煤层工作面，因此9号煤层工作面前方超前支承压力的应力集中系数取为2.4，由于层间距为5.32m，因此取底板深度为5.32m，绘制水平应力垂直应力曲线图如图3所示。

从图中可以看出，在煤壁后方大于10m范围内，水平应力集中系数变化较为平缓且趋近于0，自煤壁后方10m开始至煤壁前方4m范围内，水平应力集中系数呈线性增长，最大达到1.75，在峰值后随着与煤壁距离的增大，应力集中系数逐步降低达到1，说明此时围岩的应力与原岩应力大小接近。与水平应力的趋势进行对比，垂直应力的变化趋势有一定的差异，在煤壁后方随着与煤壁的距离增大，垂直应力呈现先减小后增大的趋势，这是由于工作面开采对底板岩层产生一定的破坏，导致底板应力环境释放，应力水平低于原岩应力。在工作面前方约4m处垂直应力系数达到最大为1.45，随后开始降低直至接近于原岩应力。根据曲线图，得出工作面前方0～4m为应力升高区，4m～18m为应力降低区，18m～30m为应力稳定区，煤壁后方采空区为应力释放区。

3底板应力分布特征数值模拟分析

根据9号煤层与10号煤层地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件，建立数值模型，模拟9号煤层推进200m过程中底板的应力分布特征，图4为底板不同垂直应力集中系数曲线图，将不同底板深度下工作面煤壁前后30m的垂直应力集中系数导出绘制曲线图如图5所示。

从图4可以看出，在工作面煤壁后方采空区内，垂直应力均处于较低水平，这是由于煤层开采后对底板产生一定的破坏，岩层应力有所释放，随着深度的增大，应力集中系数也在逐步增大。在工作面煤壁的前方，垂直应力处于较高水平，随着底板深度的增大，垂直应力集中系数逐渐降低，在10号煤层位置应力集中系数仍大于1，表明10煤层在该区域内会受到9号煤层回采的影响。

从图5中可以看出，工作面煤壁前后位置垂直应力曲线大致呈现一定的对称关系，无论是在煤壁前方还是采空区，当与煤壁的距离大于30m，不同深度的底板应力集中系数均趋近于1，表明垂直应力在此范围内都慢慢恢复至原始围岩应力状态，因此可以认为工作面的回采在煤壁前后的影响范围最大为30m。

当与煤壁的距离小于30m时，在煤壁前方，不同底板深度的垂直应力呈现相同的变化趋势，均在2.5m位置处达到峰值，底板深度为1m时，峰值系数最大，为1.95，随着与煤壁的距离增大，垂直应力集中系数在不断减小，与煤壁距离在15m～30m范围内时垂直应力趋于稳定，因此可以认为煤壁前方0～2.5m为应力升高区，2.5～15m为应力降低区，15m～30m为应力稳定区。在工作面开采过后的区域内，垂直应力在底板不同深度呈现同样的趋势，在煤壁后方5m处，垂直应力集中系数达到最低，深度为1m时，应力集中系数最小，为0.07，随着与煤壁距离增大垂直应力逐步上升直至原岩应力水平。采空区内底板岩层垂直应力均小于原岩应力，因此认为该区域为应力释放区。

上述数值模拟分析结果与理论分析结果具有一定的相似性，验证了上文理论分析是合理的，从而验证了9号煤层开采后底板应力的分区特征。

4结论

本文以山西某矿近距离煤层地质条件为基础，对上组煤开采后底板的应力分布特征进行了研究，研究结果具体如下：

（1）采用理论分析方法，对上层煤开采后底板任意一点的应力大小进行了计算，基于9号煤层的地质特点，绘制了底板深度为5.32m时煤壁前后30m范围内的应力曲线图，初步分析了底板岩层应力分布特征。

（2）基于数值模拟方法，对理论分析结果进行了验证，在工作面煤壁后方采空区内，垂直应力均处于较低水平，在工作面煤壁的前方，垂直应力处于较高水平，随着底板深度的增大，垂直应力集中系数逐渐降低。

（3）工作面的回采在煤壁前后的影响范围最大为30m，其中煤壁前方0～2.5m为应力升高区，2.5～15m为应力降低区，15m～30m为应力稳定区，采空区内底板岩层垂直应力均小于原岩应力，为应力释放区。

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